В 1798 году ученый Генри Кавендиш проводил эксперименты со сферами в темной, герметичной комнате и вычислил приблизительную плотность Земли.
Земля и Луна. Фото: НАСА
В конце 1600-х годов ученый Исаак Ньютон предложил закон всемирного тяготения: каждая частица притягивает все остальные частицы во Вселенной с силой (F), определяемой их массой (M) и квадратом расстояния между центрами объектов (R). Если G — гравитационная постоянная, то уравнение этого закона имеет вид: F = G(M1xM2/R 2 ).
Таким образом, если известна масса одного из объектов и другая информация уравнения, можно вычислить массу второго объекта. Рассмотрим человека с известной массой. Этот человек может вычислить массу Земли, если он знает, как далеко он находится от центра Земли. Проблема в том, что во времена Ньютона ученые еще не определили G, поэтому взвесить Землю было невозможно.
Знание массы и плотности Земли было бы чрезвычайно полезно для астрономов, поскольку помогло бы им рассчитать массы и плотности других объектов в Солнечной системе. В 1772 году Лондонское королевское общество создало «Комитет по гравитации» для изучения этого явления.
В 1774 году группа экспертов попыталась измерить среднюю плотность Земли с помощью горы Шихаллион в Шотландии. Они отметили, что огромная масса Шихаллиона притягивает к себе маятники. Поэтому они вычислили плотность Земли, измерив движение маятника и осматривая гору. Однако это измерение не очень точное.
Иллюстрация ученого Генри Кавендиша и его эксперимента по «взвешиванию» Земли. Фото: Викимедиа
Геолог преподобный Джон Мичелл также изучал массу Земли, но не успел завершить это исследование до своей смерти. Британский ученый Генри Кавендиш использовал оборудование Мичелла для проведения экспериментов.
Он сконструировал большую гантель со свинцовыми сферами шириной 5 см, прикрепленными к концам деревянного стержня длиной 183 см. Деревянный стержень подвешен на веревке в центре и может свободно вращаться. Затем к первому грузу подносят второй груз с двумя свинцовыми сферами диаметром 30 см и весом 159 кг каждая, так что более крупные сферы притягивают более мелкие, оказывая небольшое усилие на перекладину для подвешивания. Кавендиш часами внимательно наблюдал за колебаниями стержня.
Гравитационная сила между сферами настолько слаба, что даже малейший поток воздуха может испортить этот тонкий эксперимент. Кавендиш поместил устройство в герметичное помещение, чтобы исключить приток наружного воздуха. Он использовал телескоп, чтобы наблюдать за экспериментом через окно, и установил систему блоков, чтобы перемещать грузы снаружи. В комнате поддерживалась темнота, чтобы избежать разницы температур между различными частями комнаты, которая могла бы повлиять на эксперимент.
В июне 1798 года Кавендиш опубликовал свои результаты в журнале Transactions of the Royal Society в исследовании под названием «Эксперимент по определению плотности Земли». Он показал, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды, или 5,48 г/см3, что весьма близко к современному значению 5,51 г/см3.
Эксперимент Кавендиша был важен не только для измерения плотности и массы Земли (оцениваемой в 5,974 квадриллиона килограммов), но и для демонстрации того, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив и в масштабах, намного меньших масштабов Солнечной системы. С конца XIX века для определения G используются улучшенные версии теста Кавендиша.
Тху Тао (по данным IFL Science , APS )
Ссылка на источник
Комментарий (0)